研究热点丨肠道微生物代谢组学助力揭示肝性脑病新机制

2025-03-31 11:10:34, 飞飞赛默飞色谱与质谱分析

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近年来，肠道微生物研究如同打开了一扇通往人体健康奥秘的新大门，数万亿微生物构成的"人类第二基因组"，不仅受到饮食、环境、药物、重大事件等影响，其失衡与代谢、免疫、癌症等多种疾病紧密相关，研究肠道微生物及代谢产物与疾病发生发展的因果机制，有助于进行疾病的精准预防和治疗，相关学术成果频频刊登在学术顶刊。

2025年1月，南方医科大学珠江医院周宏伟课题组联合多家单位在Nature medicine(IF=58.7)发表了题为“The gut-brain axis underlying hepatic encephalopathy in liver cirrhosis”的研究论文，该研究使用了赛默飞TSQ三重四极杆液质平台，通过代谢组学、宏基因组、转录组等技术，揭示了肝性脑病的肠-肝-脑轴新机制，发现肠道微生物活泼瘤胃球菌（R. gnavus）可以通过苯丙氨酸脱羧酶和代谢产物苯乙胺驱动肝性脑病，为肝性脑病确定了一个有前景的治疗和预测靶点。

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背景

约50%-70%的肝硬化患者会发展为肝性脑病，表现为震颤、记忆障碍、昏迷等症状，严重影响患者生活质量，甚至导致死亡。传统的“氨中毒”理论及疗法无法完全解释肝性脑病发病机制，且血氨水平与疾病的发病及严重程度不总是完全一致。多项研究表明，肠道菌群失衡与肝性脑病密切相关。因此，研究团队从肠道菌群入手，探索肝性脑病的发病机制，为肝性脑病找到新的诊疗靶点。

技术创新与优势

该研究结合多组学技术，通过动物实验及临床队列验证，揭示了肠道共生菌R. gnavus通过苯丙氨酸脱羧酶（PDC）及其代谢产物苯乙胺（PEA）驱动肝性脑病的新机制。PEA是一种神经毒性物质，能够穿透血脑屏障，对大脑造成损伤，引发肝性脑病症状。

代谢组学结合宏基因组揭示R.gnavus 驱动的肝硬化中PDC丰度增加

为了系统地探究肠道微生物与大脑互作的全貌，研究团队首先构建了112个GBMs肠道-大脑模块，每个模块对应特定的神经活性物质生成与降解过程。采用该预测模块对来自四个肝硬化队列进行宏基因组数据深度挖掘，发现肝硬化患者的单胺神经递质模块显著富集，在肝硬化患者中增加约10倍，肝性脑病患者增加更多。TSQ 三重四极杆液质分析表明，多种酶可以将芳香族氨基酸转化为单胺。进一步研究表明，产单胺神经递质模块的主要基因是芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）编码基因，并主要由R. gnavus编码，其中PDC基因丰度与R. gnavus显著正相关，是单胺合成过程的关键酶。

图1. R. gnavus驱动的PDC基因在4个肝硬化患者队列中丰度增加（点击查看大图）

代谢组学结合转录组学揭示肝硬化患者脑部PEA累积

为了验证R. gnavus 的神经毒性以及PDC的关键作用，研究团队构建小鼠队列模型，分别对无菌小鼠灌胃野生型R. gnavus及PDC突变菌株。TSQ 三重四极杆液质谱靶向代谢组学分析发现，野生型R. gnavus使小鼠粪便和血清的单胺水平显著升高，但是脑组织的PEA含量未见明显变化。后续实验证实，在肝硬化状态小鼠中，定植R. gnavus才会导致脑PEA累积，同时小鼠出现记忆障碍、焦虑等典型肝性脑病早期症状。通过靶向抑制PDC功能或中和PEA，可有显著减少大脑中PEA的积累，有效逆转肝性脑病症状，证实了R. gnavus-PDC-PEA轴在肝性脑病中的核心作用。

图2. 靶向PDC减轻肝性脑病患者粪便微生物引起的神经毒性（点击查看大图）

临床队列验证高水平PEA患者肝性脑病风险增加

研究团队对60名接受经静脉肝内门体分流术的患者进行了随访。结果显示，术前高PEA水平术后肝性脑病发生风险显著增加，是低PEA水平患者的7倍，验证了PEA水平与肝性脑病因果关系，提出血清PEA可能成为肝性脑病发病潜在的预警标志物。

代谢组学:肠道微生物研究的利器

在这项突破性研究背后，代谢组学技术扮演着重要角色。采用代谢组学技术解析肠道微生物代谢物的组成及动态变化，为揭示菌群-宿主潜在的互作机制及疾病发生的因果关联提供关键技术支持。

本研究中粪便、血清及脑部样品中代谢物检测采用的是TSQ三重四极杆液质平台，实现了单胺类物质包括PEA高通量、高灵敏定量分析。赛默飞在代谢组学领域具有一站式解决方案。靶向代谢组学领域，TSQ三重四极杆质谱以低丰度代谢物高度覆盖，为代谢物精准定量奠定了坚实基础； 2024年全新推出的Stellar线性离子阱质谱仪在通量、灵敏度及方法开发易用性上全面提升，成为大小分子定量领域耀眼的恒星。非靶向代谢组学领域，更有金标准Orbitrap超高分辨质谱，为队列样本检测提供了超高分辨率、灵敏度及高质量精度，为代谢组学研究者所面临的的挑战—样本基质复杂、代谢产物鉴定数量不足、辨别假阴性/假阳性结果等问题提供强大的技术支撑。